Struktur Atom

STRUKTUR ATOM

A.    Sejarah Perkembangan Struktur Atom

Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.

Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom, dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti. Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur dan mempengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.

Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan didapat akan didapat bagian yang tidak dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom. Istilah atom berasal dari bahasa yunani “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian disempurnakan menjadi, atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah lagi namun namun masih memiliki sifat kimia dan sifat fisika benda asalnya.

Atom dilambangkan dengan ZXA , dimana A = nomor massa (menunjukkan massa atom, merupakan jumlah proton dan neutron), Z = nomor atom (menunjukkan jumlah elektron atau proton). Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan (netral), dan elektron bermuatan negatif. Massa proton = massa neutron = 1.800 kali massa elektron. .Atom-atom yang memiliki nomor atom sama dan nomor massa berbeda disebut isotop, atom-atom yang memiliki nomor massa sama dan nomor atom berbeda dinamakan isobar, atom-atom yang memiliiki jumlah neutron yang sama dinamakan isoton.

B.     Pengertian Dasar

1.    Partikel dasar : partikel-partikel pembentuk atom yang terdiri dari elektron, proton den neutron.

a.       Proton : partikel pembentuk atom yang mempunyai massa sama dengan satu sma (amu) dan bermuatan +1.

b.      Neutron : partikel pembentuk atom yang bermassa satu sma (amu) dan netral.

c.       Elektron : partikel pembentuk atom yang tidak mempunyai massa dan bermuatan -1.

2.    Nukleus : Inti atom yang bermuatan positif, terdiri dari proton den neutron.

3.    Notasi unsur : _Z ^A A dengan X : tanda atom (unsur)

Z : nomor atom      = jumlah electron (e)

= jumlah proton (p)

A : bilangan massa = jumlah proton + neutron

Pada atom netral, berlaku: jumlah elektron = jumlah proton.

Contoh :

1)      Tentukan jumlah elektron, proton den neutron dari unsur ₂₆ ⁵⁶ Fe !

Jawab :

Jumlah elektron = jumlah proton = nomor atom = 26

Jumlah neutron = bilangan massa - nomor atom = 56 - 26 = 30

2)      Berikan notasi unsur X, jika diketahui jumlah neutron = 14 dan jumlah elektron = 13 !

Jawab :

Nomor atom = jumlah elektron = 13

Bilangan massa = jumlah proton + neutron = 13 + 14 = 27

Jadi notasi unsurnya: ₁₃ ²⁷ X

4.    Atom tak netral : atom yang bermuatan listrik karena kelebihan atau kekurangan elektron bila dibandingkan dengan atom netralnya. Atom bermuatan positif bila kekurangan elektron, disebut kation. Atom bermuatan negatif bila kelebihan elektron, disebut anion.

Contoh:

- Na⁺ : kation dengan kekurangan 1 elektron

- Mg^2- : kation dengan kekurangan 2 elektron

- Cl^- : anion dengan kelebihan 1 elektron

- O₂ : anion dengan kelebihan 2 elektron

5.    Isotop : unsur yang nomor atomnya sama, tetapi berbeda bilangan massanya.

Contoh: Isotop oksigen: ₈ ¹⁶ O ; ₈ ¹⁷ O ; ₈ ¹⁸ O

6.    Isobar : unsur yang bilangan massanya sama, tetapi berbeda nomor atomnya.

Contoh: ₂₇ ⁵⁹ CO dengan ₂₈ ⁵⁹ Ni

7.    Isoton : unsur dengan jumlah neutron yang sama.

Contoh: ₆ ¹³ C dengan ₇ ¹⁴ N

8.    Iso elektron: atom/ion dengan jumlah elektron yang sama.

Contoh: Na⁺ dengan Mg²⁺ K⁺ dengan Ar

C.     Teori Atom

1.    Teori Atom John Dalton

Pada permulaan abad 19 Dalton mengemukakan teori atom sebagai berikut:

v  atom adalah bagian terkecil suatu unsur

v  atom tidak dapat diciptakan, dimusnahkan, terbagi lagi, atau diubah menjadi zat lain

v  atom-atom suatu unsur adalah sama dalam segala hal, tetapi berbeda dengan atom-atom dari unsur lain

v  reaksi kimia merupakan proses penggabungan atau pemisahan atom dari unsur-unsur yang terlihat

v  Semua benda disusun oleh atom-atom

v  Atom-atom dari suatu unsur tertentu sama satu dengan lainnya dalam hal : ukuran, bentuk, massa dan sifat-sifat yang lain, dan mereka berbeda dari atom-atom unsur lain dalam sifat-sifat ini.

Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom. Teori atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan hukum susunan tetap (hukum proust). Lavosier mennyatakan bahwa “Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi”. Sedangkan Proust menyatakan bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap”. Dari kedua hukum tersebut Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom sebagai berikut :

Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi. Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda. Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen. Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak peluru. Seperti gambar berikut ini:

Kelemahan teori atom Dalton:

§  Tidak dapat membedakan pengertian atom dengan molekul.

§  Atom ternyata bukan partikel yang terkecil.

Teori Dalton ini juga tidak seluruh benar. Misalnya Thomson pada tahun 1897 menunjukkan bahwa atom mengandung partikel yang lebih elementer yang disebut electron ini mempunyai massa : 9.1096 x 10^-28 dan muatan listrik -1.6022 x 10^-19 coulomb. Penyelidikan-penyelidikan lebih lanjut menunjukkan bahwa atom mengandung pula dua partikel elementer lainnya : ialah proton dan neutron. Tetapi meskipun demikian dalam semua reaksi-reaksi kimia struktur dari suatu atom tidak mengalami perubahan hanya dengan cara-cara fisika yang modern (dengan cyclotron dan synchrotron) atom dapat dibelah, dipecah atau disusun kembali.

2.    Teori Atom J.J. Thomson

Berdasarkan penemuan tabung katode yang lebih baik oleh William Crookers, maka J.J. Thomson meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantara katode dan anode. Dari hasil percobaan ini, Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut elektron.
Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positifuntuk menetrallkan muatan negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom Thomson. Yang menyatakan bahwa: “Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar muatan negatif elektron”.

Model atom ini digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya. biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar marata dalam bola daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal. Selain itu juga, atom Thomson merupakan suatu bola bermuatan positif dan di dalamnya tersebar elektron-elektron seperti kismis. Serta jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif, sehingga atom bersifat netral.

Kelemahan:

Kelemahan model atom Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

3.    Teori Atom Rutherford

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih.

Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa berikut:

1)        Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan

2)        Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisanatom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.

3)        Partikel tersebut merupakan partikelyang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan.

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak.

Model atom Rutherford dapat digambarkan sebagai beriukut:

Ø  atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dengan muatan positif yang massanya merupakan massa atom tersebut

Ø  elektron-elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti tersebut

Ø  banyaknya elektron dalam atom sama dengan banyaknya proton dalam inti dan ini sesuai dengan nomor atomnya

Kelemahan:

Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom.

4.    Teori Atom Bohr

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut :

1.    Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.

2.    Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.

3.    Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan planck, ΔE = hv.

4.    Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

Atom Bohr selain dapat menerangkan sifat keteraturan dalam garis-garis petra, dapat pula menerangkan sifat-sifat berkala dari unsur-unsur. Menurut Bohr hanya tingkatan-tingkatan energi tertentu (dinyatakan dengan n = 1, 2, 3, 4, . . . .) yang diperbolehkan untuk elektron dalam suatu atom. Jumlah maksimum electron dalam suatu tingkatan tenaga adalah terbatas, yaitu jumlah maksimum = 2 n². Sehingga tingkatan energi yang terendah (n = 1) akan mempunya electron maksimum = 2 x 1² elektron. Untuk tingkatan kedua (n = 2 ) = 2 (2)² = 8 dan seterusnya.

    Bila sifat-sifat kimia tergantung pada jumlah elektron yang ada dalam tingkatan energi paling luar dari suatu atom, maka pembatasan populasi : 2n² dengan sendirinya akan meyebabkan terjadinya sifat-sifat yang periodik. Setiap kali lu;it akan penuh setelah berisi 2, 8, 18, 32 elektron.

Pada H (Z = 1) electron tunggal akan menempati kulit K. electron berikutnya yang akan membentuk He (Z = 2) akan pula menempati kulit K, sedangkan electron ketiga, yang akan membentuk Li (Z = 3) harus menempati kulit L, karena kulit K telah penuh bila berisi dua elektron.

Model atom Bohr merupakan penyempurnaan dari model atom Rutherford. Adapun model atomnya adalah sebagai berikut :

·       Model atomnya didasarkan pada teori kuantum untuk menjelaskan spektrum gas hidrogen.

·       Menurut Bohr, spektrum garis menunjukkan bahwa elektron hanya menempati tingkat-tingkat energi tertentu dalam atom.

Menurut Bohr:

-       Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan di sekitarnya beredar elektron-elektron yang bermuatan negatif.

-       Elektron beredar mengelilingi inti atom pada orbit tertentu yang dikenal sebagai keadaan gerakan yang stasioner (tetap) yang selanjutnya disebut dengan tingkat energi utama (kulit elektron) yang dinyatakan dengan bilangan kuantum utama (n).

-       Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energinya akan tetap sehingga tidak ada cahaya yang dipancarkan.

-       Elektron hanya dapat berpindah dari lintasan stasioner yang lebih rendah ke lintasan stasioner yang lebih tinggi jika menyerap energi. Sebaliknya, jika elektron berpindah dari lintasan stasioner yang lebih tinggi ke rendah terjadi pelepasan energi.

-       Pada keadaan normal (tanpa pengaruh luar), elektron menempati tingkat energi terendah (disebut tingkat dasar = ground state)

Kelemahan Model Atom Niels Bohr :

-       Hanya dapat menerangkan spektrum dari atom atau ion yang mengandung satu elektron dan tidak sesuai dengan spektrum atom atau ion yang berelektron banyak.

-       Tidak mampu menerangkan bahwa atom dapat membentuk molekul melalui ikatan kimia

D.    Bilangan Kuantum

Masing-masing electron dalam suatu atom memiliki 4 macam bilangan kwantum yang menentukan energy, kedudukannya dalam ruang dan kemungkinan interaksinya dengan electron yang lain.

1.    Bilangan kuantum utama (n) :

mewujudkan lintasan elektron dalam atom.

n mempunyai harga 1, 2, 3, .....

- n = 1 sesuai dengan kulit K

- n = 2 sesuai dengan kulit L

- n = 3 sesuai dengan kulit M

- dan seterusnya

Tiap kulit atau setiap tingkat energi ditempati oleh sejumlah elektron. Jumlah elektron maksimmm yang dapat menempati tingkat energi itu harus memenuhi rumus Pauli = 2n².

Contoh:

kulit ke-4 (n=4) dapat ditempati maksimum= 2 x 4² elektron = 32

elektron

2.    Bilangan kuantum azimuth (l) :

menunjukkan sub kulit dimana elektron itu bergerak sekaligus menunjukkan sub kulit yang merupakan penyusun suatu kulit.

Bilangan kuantum azimuth mempunyai harga dari 0 sampai dengan (n-1).

n = 1 ; l = 0 ; sesuai kulit K

n = 2 ; l = 0, 1 ; sesuai kulit L

n = 3 ; l = 0, 1, 2 ; sesuai kulit M

n = 4 ; l = 0, 1, 2, 3 ; sesuai kulit N

dan seterusnya

Sub kulit yang harganya berbeda-beda ini diberi nama khusus:

l = 0 ; sesuai sub kulit s (s = sharp)

l = 1 ; sesuai sub kulit p (p = principle)

l = 2 ; sesuai sub kulit d (d = diffuse)

l = 3 ; sesuai sub kulit f (f = fundamental)

3.    Bilangan kuantum magnetik (m):

mewujudkan adanya satu atau beberapa tingkatan energi di dalam satu sub kulit. Bilangan kuantum magnetik (m) mempunyai harga (-l) sampai harga (+l).

Untuk:

l = 0 (sub kulit s), harga m = 0 (mempunyai 1 orbital)

l = 1 (sub kulit p), harga m = -1, O, +1 (mempunyai 3 orbital)

l = 2 (sub kulit d), harga m = -2, -1, O, +1, +2 (mempunyai 5 orbital)

l = 3 (sub kwit f) , harga m = -3, -2, O, +1, +2, +3 (mempunyai 7 orbital)

4.    Bilangan kuantum spin (s):

menunjukkan arah perputaran electron pada sumbunya.

Dalam satu orbital, maksimum dapat beredar 2 elektron dan kedua elektron ini berputar melalui sumbu dengan arah yang berlawanan, dan masing-masing diberi harga spin +1/2 atau -1/2.

Pertanyaan:

Bagaimana menyatakan keempat bilangan kuantum dari elektron 3s¹ ?

Jawab:

Keempat bilangan kuantum dari kedudukan elektron 3s1 dapat

dinyatakan sebagai,

n= 3 ; l = 0 ; m = 0 ; s = +1/2 ; atau -1/2

E.     Konfigurasi Elektron

Dalam setiap atom telah tersedia orbital-orbital, akan tetapi belum tentu semua orbital ini terisi penuh. Bagaimanakah pengisian elektron dalam orbital-orbital tersebut ?

Pengisian elektron dalam orbital-orbital memenuhi beberapa peraturan. antara lain:

1.    Prinsip Aufbau :

elektron-elektron mulai mengisi orbital dengan tingkat energi terendah dan seterusnya.

Orbital yang memenuhi tingkat energi yang paling rendah adalah 1s dilanjutkan dengan 2s, 2p, 3s, 3p, dan seterusnya.

Contoh pengisian elektron-elektron dalam orbital beberapa unsur:

Atom H : mempunyai 1 elektron, konfigurasinya 1s¹

Atom C : mempunyai 6 elektron, konfigurasinya 1s² 2s² 2p²

Atom K : mempunyai 19 elektron, konfigurasinya 1s² 2s² 2p⁶ 3S² 3p⁶ 4s¹

2.    Prinsip Pauli :

tidak mungkin di dalam atom terdapat 2 elektron dengan keempat bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti, bila ada dua elektron yang mempunyai bilangan kuantum utama, azimuth dan magnetik yang sama, maka bilangan kuantum spinnya harus berlawanan.

3.    Prinsip Hund :

cara pengisian elektron dalam orbital pada suatu sub kulit ialah bahwa elektron-elektron tidak membentuk pasangan electron sebelum masing-masing orbital terisi dengan sebuah elektron.

Contoh:

Atom C dengan nomor atom 6, berarti memiliki 6 elektron. Berdasarkan prinsip Hund, maka 1 elektron dari lintasan 2s akan berpindah ke lintasan 2pz, sehingga sekarang ada 4 elektron yang tidak berpasangan. Oleh karena itu agar semua orbitalnya penuh, maka atom karbon berikatan dengan unsur yang dapat memberikan 4 elektron. Sehingga di alam terdapat senyawa CH₄ atau CCl₄, tetapi tidak terdapat senyawa CCl₃ atau CCl_5.